孙维(1996),男,硕士在读,研究方向为电力设备在线状态检测(Email:
陶玉宁(1995),男,硕士在读,研究方向为电力设备在线状态检测
方春华(1980),男,博士,副教授,研究方向为高电压绝缘与在线监测
脉冲激光清洗瓷式绝缘子表面污秽会产生强烈的热效应,分析清洗过程中的温度特性至关重要。文中以沾污的瓷式绝缘子为研究对象,通过仿真和实验相结合的方法,研究不同典型污秽、不同污秽含水量、不同激光能量密度及波长等工况下温度场的变化规律。结果表明:温度的高低与污秽含水量、激光能量密度成正比,与激光波长成反比,其中激光湿式清洗比干式清洗效率高;在保证绝缘子瓷材料的抗热稳定性的前提下,激光能量密度处于2.52~3.81 J/cm2,扫描速度1 000 mm/s时,不会损伤绝缘子基底材料,可达到最佳清洗。
Pulse laser cleaning of porcelain insulator surface pollution will produce strong thermal effect, and the analysis of temperature characteristics in the cleaning process is very important. In this paper, the contaminated porcelain insulator is taken as the research object. By the method of simulation and experiment, the change rule of temperature field under different typical pollution, different pollution water content, different laser energy density and wavelength are studied. The results show that the temperature is directly proportional to the pollution water content, laser energy density and inversely proportional to the laser wavelength, and the laser wet cleaning is more efficient than the dry cleaning. Under the premise of ensuring the thermal stability of insulator ceramic material, the laser energy density is 2.52~3.81 J/cm2, and the scanning speed is 1 000 mm/s, which will not damage the insulator base material and can achieve the best cleaning.
露天瓷式绝缘子长期暴露在外界环境中,在雾和阴雨等潮湿气候条件下,绝缘子表面的污秽层被湿润,绝缘性能下降,可能发生污秽闪络[
传统的绝缘子清洗方法存在停电、工作量大、有人身安全风险、清除污秽不环保等问题。激光清洗技术是近年来飞速发展的一种新型清洗技术,实现了非接触式清洗,能快速有效地清除污秽,显著提高清洗效率,适用于瓷式绝缘子的清洗[
文中以瓷式绝缘子及表面污秽为对象,以瓷式绝缘子材料抗热冲击能力范围150~250 ℃为安全阈值[
将激光热源模拟为高斯热源,其热流分布函数为[
式中:
研究表明,脉冲激光直接辐射于材料表面,不考虑相变问题,可通过热传导方程来描述材料在激光照射下的温度场分布
式中:
在工业应用上,用湿式激光清洗微颗粒的研究认为当激光能量密度足够大时,界面处的薄液膜能通过热传导而发生过热,快速蒸发和气泡膨胀可产生强烈的压力波,压力波的高压可以产生清洗力,清除吸附颗粒。液体受热产生的气泡里的蒸汽压与此温度下液体的饱和蒸汽压近似,气泡生长速度表述如下[
式中:
由上述公式可知,无论是脉冲激光直接辐射于材料表面,产生巨大的温度差形成较大的温度梯度,从而产生热应力使污秽脱离基体表面,还是在湿式激光清洗中气泡的生长与温度相关联,产生巨大压力波使污秽脱离绝缘子表面,温度的影响均至关重要。
文中对激光清洗绝缘子污秽的数值进行有限元分析计算时所使用的仿真软件为COMSOL Multiphysics 5.4。建模时主要用到了热应力模块,包含固体传热和固体力学。求解模型时,先建立三维几何模型,然后设置模型的物理参数,根据所需结果的精度对模块进行有限元网格划分,通过图像或线图形形象直观地运算出仿真结果,具体方案如下。
为便于研究温升和应力对瓷式绝缘子表面清污效果的影响,建立半径0.5 mm,高0.1 mm的瓷式绝缘子片模型,如
污秽瓷式绝缘子有限元模型
Finite element model of polluted porcelain insulator
如
激光扫描示意
Schematic diagram of laser scanning
不同地区的绝缘子污秽成分研究结果表明,绝缘子表面污秽成分和结构随污染环境的不同会发生变化,主要成分为CaSO4和SiO2[
材料物理特性参数
Physical parameters of materials
材料 | 密度/(kg·m-3) | 比热容/[J·(kg·℃)-1] | 热导率/(W·m-1·℃-1) | 线性膨胀系数/℃-1 | 泊松比 |
氧化铝瓷 | 3 550 | 942 | 15.41 | 7.3×10-6 | 0.2 |
SiO2 | 2 490 | 900 | 3.338 | 8×10-6 | 0.2 |
CaSO4 | 2 300 | 120 | 0.28 | 2.0×10-5 | 0.3 |
扫描污秽瓷式绝缘子时,在选取的点上施加载荷,载荷施加的范围为光斑直径。通过高斯面热源模型将热流加载到瓷式绝缘子表面,模拟脉冲激光作用于污秽绝缘子上去污的过程。
文中模拟污秽类型为SiO2、NaCl、CaSO4,通过分析绝缘子表面产生的温度场、应力场,探究激光清洗瓷式绝缘子的最佳扫描速度。
污秽含水量可简化为污秽表面的一层水膜柱,以此来分析含水量对温度的影响。水分有良好导热性,水膜及污秽短时间内吸收大量能量,迅速升温,遵循傅里叶定律经过水膜污秽传导至绝缘子表面。脉冲能量密度3.81 J/cm2,扫描速度1 000 mm/s,模拟污秽类型SiO2,环境湿度形成水膜柱高分别为0 mm,10-2 mm,1.5×10-2 mm 3种工况下绝缘子表面在20 μs,50 μs,80 μs,100 μs时刻的温度分布。以水膜高度为0mm为例,激光清洗过程见
水膜高0 mm时温度分布
Temperature distribution when column is 0 mm
含水量(水膜高度)变化,激光在清洗绝缘子过程中温度场分布仅存在数值上的变化。由
不同水膜高时圆心温度分布
Temperature distribution of different water film heights
水膜高/mm | 温度/℃ | |||
20 μs | 50 μs | 80 μs | 100 μs | |
0 | 93 | 109 | 122 | 154 |
10-2 | 121 | 256 | 269 | 291 |
1.5×10-2 | 156 | 268 | 293 | 316 |
50 μs时刻不同污秽物温度分布
Temperature distribution of different pollutants at 50 μs
由
温度随扫描时间分布
Temperature distribution with scanning time
对比有水与无水情况下的清洗结果可知,在激光清洗过程中,激光湿式清洗可以迅速提升清洗温度,且在一定含水量范围内,含水量越多,温度上升得越明显。适量的水分可提高激光清洗效率,在清洗过程中污秽的干湿程度不可忽略。尽管污秽类型不同,但激光湿式清洗比干式清洗所产生的温升更高,清洗效率更高。值得注意的是,污秽含水量过高会造成绝缘子表面因温度过高形成的热损伤,严重时也会造成热应力破坏,绝缘子将断裂。
激光对材料的辐照差异可以利用激光能量密度来衡量,激光能量密度一般指组织的单位面积内脉冲激光能量的分布,通常表示为:
式中:
不同能量密度径向温度分布
Radial temperature distribution of different energy density
在温度安全阈值范围内考虑最高温度对绝缘子表面的影响。6种工况下,绝缘子表面(光斑中心)最高温度可分别达到340 ℃,283 ℃,241 ℃,212 ℃,186 ℃,141 ℃。对比其抗热稳定性可得:能量密度为4.85 J/cm2时极大可能在清洗过程中损伤绝缘子表面,能量密度为3.81 J/cm2则基本可满足3种污秽类型对于温度的需求。
激光是一种特殊的光,激光的波长和普通光的波长一样,从红外线到紫外线都有紫光的存在,波长大约是几千纳米以下的量级,越往紫外光区靠拢的激光波长越短,可以到几百纳米甚至更小。
式中:
不同波长径向温度分布
Radial temperature distribution at different wavelengths
由
实验设备为脉冲激光器,波长1 064 nm,脉宽200 ns,扫描速度设置为1 000 mm/s。试验样品为表面涂有SiO2粉末的瓷式绝缘子片(40 mm×40 mm× 5 mm)。设置激光器频率为50 kHz,调节激光器能量密度分别为2.52 J/cm2,3.81 J/cm2,4.85 J/cm2。清洗结果对比如
不同能量密度下清洗对比
Cleaning comparison under different energy density
由
文中从理论上分析了激光清洗绝缘子温度特性,建立绝缘子污秽模型,分析各种参数对瓷绝缘子表面温度特性的影响,并通过实验验证得出以下结论:
(1) 瓷式绝缘子受激光辐照,在不同含水量、能量密度、波长工况下沿径向温度变化规律一致。绝缘子表面横向温度先升高后降低,并从激光光斑中心向两侧对称分布,均在激光边缘处温差较大。
(2) 较高的含水量在较短时间内可产生高温,后逐渐趋于稳定;相比于干式清洗, 激光湿式清洗明显效率更高。选择激光湿式清洗绝缘子表面污秽时,应注意污秽的含水量及其所处环境,防止损伤绝缘子。
(3) 仿真表明,激光能量密度为3.81 J/cm2时,基本可满足3种污秽类型对于温度的需求;对污秽为SiO2的情况进行实验验证,能量密度处于2.52~3.81 J/cm2时可实现安全有效清洗。此结果可为激光清洗绝缘子工作提供更为准确的参考。
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